(57)【要約】【課題】ファン騒音が少なく冷却性の良い全閉形電動機を提供する。【解決手段】ステータ鉄心１と、このステータ鉄心１の内周側に配置されたロータ鉄心７と、ステータ鉄心１の両端部にブラケット２０，２１，２２を介して配設された第１軸受４および第２軸受５と、ロータ鉄心７が取り付けられ且つ第１，第２軸受４，５で回転自在に支承されたロータシャフト６と、ステータ鉄心１の外周部に構成された通風路１７ｂと、この通風路１７ｂに設けられた熱交換器２３と、ブラケット２０の一部に設けられた外気入気孔２０ａと、ロータシャフト６に嵌着されたファン主板２９ｄに設けられた外扇羽根２９ａを有する通風ファン２９とを備え、外扇羽根２９ａの外径ΦＤと前記外気入気孔２０ａの外径Φｄの関係をΦｄ／ΦＤ＝０．５〜０．８ の範囲とした構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ鉄心と、このステータ鉄心の内周側に配置されたロータ鉄心と、前記ステータ鉄心の両端部にブラケットを介して配設された第１軸受および第２軸受と、前記ロータ鉄心が取り付けられ且つ前記第１，第２軸受で回転自在に支承されたロータシャフトと、前記ステータ鉄心の外周部に構成された通風路と、この通風路に設けられた熱交換器と、前記ブラケットの一部に設けられた外気入気孔と、前記ロータシャフトに嵌着されたファン主板に設けられた外扇羽根を有する通風ファンとを備え、前記外扇羽根の外径ΦＤと前記外気入気孔の外径Φｄの関係をΦｄ／ΦＤ＝０．５〜０．８ の範囲としたことを特徴とする全閉形電動機。
【請求項２】
ステータ鉄心と、このステータ鉄心の内周側に配置されたロータ鉄心と、前記ステータ鉄心の両端部にブラケットを介して配設された第１軸受および第２軸受と、前記ロータ鉄心が取り付けられ且つ前記第１，第２軸受で回転自在に支承されたロータシャフトと、前記ステータ鉄心の外周部に構成された通風路と、この通風路に設けられた熱交換器と、前記ブラケットの一部に設けられた外気入気孔と、前記ロータシャフトに嵌着されたファン主板を挟んで外扇羽根と内扇羽根を有する通風ファンとを備え、前記外扇羽根の枚数をｎ枚として、前記内扇羽根の枚数をｎ枚、２ｎ枚または３ｎ枚のいずれかの組み合わせとし、前記外扇羽根と対称にファン主板を挟んで内扇羽根を設けたことを特徴とする全閉形電動機。
【請求項３】
前記外扇羽根と対称に前記ファン主板を挟んで内扇羽根を設け、前記内扇羽根の枚数をｎ枚として、前記外扇羽根の枚数をｎ枚、２ｎ枚または３ｎ枚のいずれかの組み合わせとしたことを特徴とする請求項１記載の全閉形電動機。
【請求項４】
前記通風ファンは、羽根ピッチが不等ピッチで構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の全閉形電動機。
【請求項５】
前記外扇羽根の代替に放射状に伸びる放熱フィンを設けたことを特徴とする請求項１または２記載の全閉形電動機。
【請求項６】
前記放熱フィンの枚数を前記内扇羽根の枚数以上としたことを特徴とする請求項５記載の全閉形電動機。
【請求項７】
前記外扇羽根の代替に円形の放熱フィンをファン主板の半径方向に一定ピッチもしくは不定ピッチで設けたことを特徴とする請求項１または２記載の全閉形電動機。
【請求項８】
前記外扇羽根の代替に突起物を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の全閉形電動機。
【請求項９】
前記突起物は千鳥配置されていることを特徴とする請求項８記載の全閉形電動機。
【請求項１０】
前記内扇羽根からボス部までの間に放射状の吸熱フィンを設けたことを特徴とする請求項１または３記載の全閉形電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道等の車両を駆動する電動機として好適であって、外気を機内に取り入れない全閉外扇構成を有する全閉形電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電車等の鉄道車両では、車体の下に配置された台車に車両駆動用電動機を設置し、この電動機の回転力を歯車装置を介して車輪に伝達して車両を走行させるようにしている。従来この種の電動機は、機内の回転子軸に固定された通風ダブルファンの回転によって、外気を機内に流通させて冷却を行う開放形自己通風冷却方式となっている。
【０００３】
この開放形自己通風冷却方式では、冷却外気に混入する塵埃によって機内が汚損されるのを防ぐため、入気口部に通風ろ過器を設け、通風ろ過器内のフィルターによって流入外気の塵埃を捕捉している。そのためフィルターの目詰まりによる流入外気の減少によって電動機の温度上昇が増大するのを防ぐために、比較的短期間の周期でフィルターの清掃を実施している。しかし、フィルターで完全に塵埃を捕捉することは難しいため、機内に進入した塵埃は機内に付着して次第に集積し、絶縁性能の低下や冷却効果の低下をきたすため、定期的に電動機を分解して内部の塵埃除去のため清掃を行う必要がある。
【０００４】
このフィルターの保守の省力化と電動機の分解清掃の周期延長による保守の省力化を図る目的で、下記特許文献１等に示される全閉形電動機の採用が検討されている。しかし従来の全閉外扇形電動機においてはファン騒音が大きいという欠点がある。
【特許文献１】特開２００４−１９４４９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ファン騒音が少なく冷却性の良い全閉形電動機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１は、ステータ鉄心と、このステータ鉄心の内周側に配置されたロータ鉄心と、前記ステータ鉄心の両端部にブラケットを介して配設された第１軸受および第２軸受と、前記ロータ鉄心が取り付けられ且つ前記第１，第２軸受で回転自在に支承されたロータシャフトと、前記ステータ鉄心の外周部に構成された通風路と、この通風路に設けられた熱交換器と、前記ブラケットの一部に設けられた外気入気孔と、前記ロータシャフトに嵌着されたファン主板に設けられた外扇羽根を有する通風ファンとを備え、前記外扇羽根の外径ΦＤと前記外気入気孔の外径Φｄの関係をΦｄ／ΦＤ＝０．５〜０．８ の範囲とした構成とする。
【０００７】
本発明の請求項２は、ステータ鉄心と、このステータ鉄心の内周側に配置されたロータ鉄心と、前記ステータ鉄心の両端部にブラケットを介して配設された第１軸受および第２軸受と、前記ロータ鉄心が取り付けられ且つ前記第１，第２軸受で回転自在に支承されたロータシャフトと、前記ステータ鉄心の外周部に構成された通風路と、この通風路に設けられた熱交換器と、前記ブラケットの一部に設けられた外気入気孔と、前記ロータシャフトに嵌着されたファン主板を挟んで外扇羽根と内扇羽根を有する通風ファンとを備え、前記外扇羽根の枚数をｎ枚として、前記内扇羽根の枚数をｎ枚、２ｎ枚または３ｎ枚のいずれかの組み合わせとし、前記外扇羽根と対称にファン主板を挟んで内扇羽根を設けた構成とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ファン騒音が少なく冷却性の良い全閉形電動機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に本発明の第１ないし第１０の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る全閉形電動機を示す断面図である。
【００１０】
すなわち、ステータ鉄心１の両側に、鉄心押え１ａ，１ａを取り付け、その間の全周に部分的に取り付けた複数のつなぎ板１ｂを、ステータ鉄心１の外周上に設けて構成してあり、ステータ鉄心１の外周側には、多数の冷却孔１６が形成されている。
【００１１】
ロータシャフト６には、電動機内に通風ファン２９が取り付けられている。通風ファン２９の一方側には、外扇羽根２９ａが回転軸から放射状に取り付けられ、軸受４を支承するブラケット２０には円周状に複数の外気入気口２０ａが開いている。
【００１２】
またブラケット２０は、つなぎブラケット２１を介して鉄心押さえ１ａに取り付けられている。つなぎブラケット２１には、ステータ鉄心１の冷却孔１６に通じる通風室１７が形成されている。また他端は固定ブラケット２２の中心部分に、ハウジング３を取り付け、他端の鉄心押え１ａに取り付けられている。固定ブラケット２２にも、冷却孔１６に合わせた通風孔１７ａが開いていて、外気に開放している。
【００１３】
外扇羽根２９ａ、冷却孔１６、通風室１７、および通風孔１７ａを含む空気経路は、ステータコイル１１の冷却に寄与する。すなわち、電動機の回転により通風ファン２９が回転すると、外扇羽根２９ａの吐き出し作用により冷えた外気が、外気入気口２０ａから矢印のように流入し、通風室１７→冷却孔１６→通風孔１７ａ→外気と流れる。これによりステータコイル１１の発熱はステータ鉄心１を介して冷却孔１６の内周面から外部に放熱され冷却される。
【００１４】
一方、通風ファン２９の外扇羽根２９ａとは反対側には、放射状の内扇羽根２９ｂが多数設けられており、リング状の側板２９ｃが、内扇羽根２９ｂの頂部を連結する形に構成されている。内扇羽根２９ｂの外周側対向面には、ふさぎ板が通風ファン２９の全周を覆うように配設され、その一部が開口している。
【００１５】
この開口からは、つなぎブラケット２１に構成された通風管１７ｂが配設され、電動機外部に構成された熱交換器（ラジエター）２３を経由し、固定ブラケット２２に設けられた通風孔を通って機内に入り、ロータ鉄心７に設けられた通風孔７ａやステータ鉄心１とロータ鉄心７の間の空隙２５を通って、通風ファン２９の内扇羽根２９ｂへ戻るようになっている。このように内扇羽根２９ｂ、熱交換器２３およびふさぎ板の開口部は、内循環空気経路を構成している。
【００１６】
熱交換器２３には多数の放熱フィン２３ａが取り付けられているため、内扇羽根２９ｂから吐出した熱まった空気は冷却され、機内に再び戻った時は冷却空気となって機内のロータバー８等を冷却できるものになる。
【００１７】
本実施の形態の全閉形電動機は、外扇羽根２９ａの外径ΦＤと外気入気口２０ａの外径Φｄの関係をΦｄ／ΦＤ＝０．５〜０．８の範囲とする。
このような構成は、外扇羽根２９ａの外径ΦＤで決まる通風騒音レベルＬｖ（ｄＢ）と、外気入気口２０ａの外径Φｄによる干渉騒音レベル（ｄＢ）に対する最適配置であるため、騒音が低減される。
【００１８】
つまり、外扇羽根２９ａの外径ΦＤを小さくすれば、通風騒音レベルが低減する。しかし、外気入気口２０ａの外径Φｄによる干渉騒音が逆に大きくなると共に風量も低減する。この相反する現象をとらえ、騒音が最も低減し、さらに通風量を損なわない最適構成がΦｄ／ΦＤ＝０．５〜０．８の範囲にあることが見出された。
【００１９】
次に本実施の形態の効果を確認するため、試作機に対して騒音試験を行った。騒音試験は、外気入気口２０ａの外径Φｄと外扇羽根２９ａの外径ΦＤの関係であるΦｄ／ΦＤ＝０．３から１．０まで０．１きざみで変化させて実施した。その結果を図２に示すように、騒音が低減する最適構成がΦｄ／ΦＤ＝０．５〜０．８の範囲にあることがわかる。
【００２０】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態の全閉形電動機について、図３に基づき説明する。本実施の形態の全閉形電動機は、外扇羽根２９ａの枚数をｎ枚とし、内扇羽根２９ｂの枚数をｎ枚、２ｎ枚または３ｎ枚のいずれかの組み合わせとして、ファン主板２９ｄを挟んで外扇羽根２９ａの設置位置に対称に内扇羽根２９ｂを設置した構成とする。このような構成にすることにより、運転中の回転による遠心力に対する強度が向上する。また、外扇羽根２９ａと内扇羽根２９ｂの設置位置を対称にしない場合に比較して、遠心力による発生応力が低減する。
【００２１】
したがって、本実施の形態によれば、ファン主板２９ｄおよび外扇羽根２９ａ，内扇羽根２９ｂの肉厚さを小さくできることから、通風ファン２９の重量を低減することができる。ただし、ファン主板を挟んで対称に配置する条件は、外扇羽根ｎ枚の配置とした場合、内扇羽根ｎ枚とする。
【００２２】
外扇羽根２９ａの枚数ｎ枚の配置とした場合、内扇羽根２９ｂの枚数２ｎ枚とする例を説明する。騒音においても例えば、外扇羽根２９ａの枚数を５枚として、内扇羽根２９ｂの枚数５枚または、１０枚または１５枚の組み合わせとする。回転周波数をｆとし、羽根枚数をｚとすると、風きり音の周波数はｆ・ｚである。この成分を低減することを考える。
【００２３】
騒音における聴感特性の５００Ｈｚ以下の周波数にすると、
外扇羽根２９ａの枚数が５枚の場合
５８００ｒｐｍにて（９７Ｈｚ）×５枚＝４８３Ｈｚ
外扇羽根２９ａ枚数が１３枚の場合
５８００ｒｐｍにて（９７Ｈｚ）×１３枚＝１２５６Ｈｚ
【００２４】
４８３Ｈｚ成分と１２５６Ｈｚ成分を比較すると、騒音レベルは４８３Ｈｚの方が４ｄＢ低下する。人間の耳の感度は、２０００Ｈｚ付近が最もよく、周波数が低くなるにしたがって、だんだん聞こえにくくなる。このように外扇羽根２９ａの枚数を５枚以下とすることで騒音が低減できる。外扇羽根２９ａ枚数を少なくした分は、内扇羽根２９ｂの枚数を２ｎ枚、３ｎ枚にすることにより冷却特性には問題がないようにする。
【００２５】
以上から外扇羽根２９ａの枚数がｎ枚の配置とした場合、内扇羽根２９ｂの枚数を２ｎ枚とする例を説明したように、騒音と強度面から有効となり、ファン全体の重量も低減できる。
【００２６】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態の全閉形電動機について、図４に基づき説明する。本実施の形態の全閉形電動機は、内扇羽根２９ｂの枚数をｎ枚として、外扇羽根２９ａの枚数をｎ枚、２ｎ枚または３ｎ枚のいずれかの組み合わせとして、ファン主板２９ｄを挟んで内扇羽根２９ｂの設置位置に対称に外扇羽根２９ａを設置した構成である。
【００２７】
第２の実施の形態と同様に、外扇羽根２９ａと内扇羽根２９ｂの設置位置を対称にしない場合に比較して、遠心力による発生応力が低減するため、ファン主板２９ｄおよび外扇羽根２９ａ，内扇羽根２９ｂの肉厚さを小さくできることから、通風ファン２９の重量を低減することができる。
【００２８】
内扇羽根２９ｂの枚数をｎ枚として、外扇羽根２９ａの枚数を２ｎ枚または３ｎ枚のいずれかの組み合わせとする場合、外扇羽根２９ａの枚数が多くなる。外扇羽根２９ａの枚数が多い場合には、外扇羽根２９ａの外径を小さくして騒音を低減する。
【００２９】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態の全閉形電動機について、図５に基づき説明する。本実施の形態は、通風ファン２９の羽根２９ａ，２９ｂを不等ピッチで形成する。このようにすると、外扇羽根２９ａと内扇羽根２９ｂの設置位置を対称にしない場合に比較して、遠心力による発生応力が低減するため、ファン主板２９ｄおよび羽根２９ａ，２９ｂの肉厚を小さくできることから、通風ファン２９の重量を低減することができる。
なお、不等配ピッチの回転バランス振動も対称に位置するため、振動問題は発生しない。  
【００３０】
（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態の全閉形電動機について、図６に基づき説明する。本実施の形態では、外扇羽根２９ａの代替に放射状に伸びる放熱フィン３０を設ける。外扇部分をファンから放熱フィン３０とすると、ファン騒音が大きく低減する。このことは、外扇羽根２９ａは風量を出す機能ではなく、電動機内部の熱を内扇羽根２９ｂおよびファン主板２９ｄから熱伝導で得て放熱する放熱フィン３０とする。適用は冷却特性の比較的良好な小容量タイプの全閉形電動機とする。
【００３１】
（第６の実施の形態）
次に、本発明の第６の実施の形態の全閉形電動機について、図７に基づき説明する。本実施の形態では、外扇羽根２９ａの代替に放射状に設ける放熱フィン３０の枚数を内扇羽根２９ｂの枚数以上とする。放熱フィン３０は表面積を大きくすれば、放熱特性が向上する。そこで、表面積を大きくする狙いから、放熱フィン３０の枚数を第５の実施の形態より多くする。もともと騒音の発生が小さいため、放熱フィン３０の枚数の増加による騒音増加の影響はない。
【００３２】
（第７の実施の形態）
次に、本発明の第７の実施の形態の全閉形電動機について、図８に基づき説明する。本実施の形態では、外扇羽根２９ａの代替に複数の円形の放熱フィン３１を半径方向に一定ピッチもしくは不定ピッチで配置する。第６の実施の形態では放射状に伸びる放熱フィン３０であるが、本実施の形態における放熱フィン３１は円形形状であるので、放熱特性が向上しさらに騒音が低減する。
【００３３】
（第８の実施の形態）
次に、本発明の第８の実施の形態の全閉形電動機について、図９に基づき説明する。本実施の形態では、外扇羽根２９ａの代替に突起状の放熱フィン３２を設ける。外扇部分を突起状の放熱フィン３２とすると、ファン騒音が発生しなくなる。このことは、外扇羽根２９ａは風量を出す機能ではなく、電動機内部の熱を内扇羽根２９ｂおよびファン主板２９ｄから熱伝導で得た熱を放熱するフィンとして機能する。
【００３４】
（第９の実施の形態）
次に、本発明の第９の実施の形態の全閉形電動機について、図１０に基づき説明する。本実施の形態では、第８の実施の形態よりもさらに熱伝達率を向上するために、前記外扇羽根２９ａの代替に設ける突起状の放熱フィン３２の設置を千鳥配置にする。千鳥配置にすることにより、冷却風の風道がランダムになり、冷却効果が向上する。
【００３５】
（第１０の実施の形態）
本発明の第１０の実施の形態の全閉形電動機について、図１１に基づき説明する。本実施の形態は、外扇羽根２９ａの代りに放熱フィン３０を設け、内扇羽根２９ｂとボス部間に放射状の吸熱フィン３３を設ける。この構成は、ロータ鉄心７で発熱した熱を熱伝導で効率良くボス部に放熱するフィンとして作用するため、軸受４の温度低減に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施の形態の全閉形電動機の軸方向断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の全閉形電動機の騒音試験の結果を示すグラフ。
【図３】本発明の第２の実施の形態の全閉形電動機の３つの実施例を示し、図１のＡ−Ａ矢視に相当する通風ファンの側面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態の全閉形電動機の３つの実施例を示し、図１のＡ−Ａ矢視に相当する通風ファンの側面図。
【図５】本発明の第４の実施の形態の全閉形電動機の２つの実施例を示し、図１のＡ−Ａ矢視に相当する通風ファンの側面図。
【図６】本発明の第５の実施の形態の全閉形電動機を示し、（ａ）は軸方向断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視側面図。
【図７】本発明の第６の実施の形態の全閉形電動機の２つの実施例を示し、図６のＢ−Ｂ矢視に相当する通風ファンの側面図。
【図８】本発明の第７の実施の形態の全閉形電動機を示し、（ａ）は軸方向断面図、（ｂ）、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ方向から見た２つの実施例の側面図。
【図９】本発明の第８の実施の形態の全閉形電動機をを示し、（ａ）は軸方向断面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ矢視側面図。
【図１０】本発明の第８の実施の形態の全閉形電動機をを示し、図９のＤ−Ｄ矢視に相当する通風ファンの側面図。
【図１１】本発明の第９の実施の形態の全閉形電動機をを示し、（ａ）は軸方向断面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ矢視側面図。
【符号の説明】
【００３７】
１…ステータ鉄心、１ａ…鉄心押え、１ｂ…つなぎ板、３…ハウジング、４，５…軸受、６…ロータシャフト、７…ロータ鉄心、７ａ…通風孔、８…ロータバー、１１…ステータコイル、１６…冷却孔、１７…通風室、１７ａ…通風孔、１７ｂ…通風管、２０…ブラケット、２０ａ…外気入気口、２１…つなぎブラケット、２２…固定ブラケット、２３…熱交換器、２３ａ…放熱フィン、２５…空隙、２９…通風ファン、２９ａ…外扇羽根、２９ｂ…内扇羽根、２９ｃ…側板、２９ｄ…ファン主板、３０，３１，３２…放熱フィン、３３…吸熱フィン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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